Теория электрических цепей 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (14) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов
Req = R1 + R2 + …
Параллельное соединение резисторов
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два параллельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Мощность
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
  2. Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. После каждого шага перерисовывайте схему.
  4. Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа
ΣIin = ΣIout
Ток ветви
I = (Va − Vb)/R
Опорный узел
Vground = 0

Метод

  1. Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
  2. Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
  3. Выразите ток каждой ветви как (Va − Vb)/R.
  4. Решите систему уравнений, затем найдите нужные токи.

Метод контурных токов

Закон напряжений Кирхгофа
ΣV = 0 в каждом контуре
Общий резистор
ток = I1 − I2
Источник тока в контуре
задаёт ток этого контура

Метод

  1. Нарисуйте в каждом контуре (ячейке) схемы контурный ток по часовой стрелке.
  2. Примените второй закон Кирхгофа к каждому контуру: сумма падений напряжения равна нулю.
  3. В резисторе, общем для двух контуров, ток равен разности двух контурных токов.
  4. Решите уравнения; отрицательный результат означает, что ток течёт в обратную сторону.

Метод наложения

Метод наложения
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Отключённый источник напряжения
короткое замыкание (0 V)
Отключённый источник тока
разрыв (0 A)
Делитель напряжения
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Делитель тока
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Метод

  1. Посчитайте независимые источники. Для каждого источника вы решите одну более простую схему.
  2. Оставьте один источник, а остальные отключите: источник напряжения заменяется коротким замыканием (проводом), источник тока — разрывом цепи.
  3. Найдите в упрощённой схеме нужное напряжение или ток, следя за направлением.
  4. Повторите для каждого источника, затем сложите вклады с учётом знаков.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
  2. Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
  3. Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
  4. Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
  5. Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неинвертирующий усилитель
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Суммирующий усилитель
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Идеальный ОУ
V+ = V−, Iin = 0

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBR6​12 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 ΩR5 = 30 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​2 Ω+−V1​12 VR2​20 Ω+−V2​10 VI2​R3​6 Ω+−V3​10 VA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I2 в ветви 2, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩV2 = 10 VR2 = 20 ΩV3 = 10 VR3 = 6 Ω
I2 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 ΩIR1​−+Vs​ = 10 V+−V1​9 VR2​8 ΩAR3​30 ΩBIs​1,5 A

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 9 VIs = 1,5 AVs = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 12 VV2 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR4​30 ΩAR5​12 ΩIR5​B+−V2​24 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR5 через R5 в направлении стрелки.

V1 = 30 VV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​20 Ω+−VR4​BIs​1,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​10 Ω+−VR3​AIs​4 AB−+V2​15 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.

V1 = 30 VIs = 4 AV2 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​1,5 ABRL​25 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 25 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 15 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,4 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 22 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите напряжение V− на инвертирующем входе.

V1 = 0,2 VV2 = 1,4 VR1 = R3 = 4,7 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
V− = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 1 µFVin​ = 0,5 VR = 22 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 0,5 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.

Vin = 0,5 VR = 22 kΩC = 1 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.

Vs = 15 VR = 47 ΩL = 220 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C1 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,58 V, ровно через 10 ms после старта. При C = 1 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 10 msC = 1 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,9615 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R3 + R4 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 8·32/(8+32) = 6,4 Ω
Req = R1 + 6,4 = 4 + 6,4 = 10,4 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 10/10,4 = 0,9615 A

Ответ

IR1 = 0,9615 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 16,53 Ω

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBR6​12 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R5 + R6 = 30 + 12 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 4,468 Ω
R3 + 4,468 = 10,47 Ω
R2 ∥ 10,47 = 4,535 Ω
Req = R1 + 4,535 = 12 + 4,535 = 16,53 Ω

Ответ

Req = 16,53 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I2 = −0,06977 A

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

ЗТК в узле A

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − 12)/2 + (VA − 10)/20 + (VA − 10)/6 = 0

Находим VA

VA = (12/2 + 10/20 + 10/6) / (1/2 + 1/20 + 1/6) = 8,167/0,7167 = 11,4 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I2 = (10 − VA)/R2 = (10 − 11,4)/20 = −0,06977 A

Ответ

I2 = −0,06977 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,1962 A

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 9)/2 + VA/8 + (VA + 10)/30 = 1,5
VA·(1/2 + 1/8 + 1/30) = 1,5 + 9/2 − 10/30 = 5,667
VA = 5,667/0,6583 = 8,608 V
VB = 18,61 V

Ток через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 8,608)/2 = 0,1962 A

Ответ

IR1 = 0,1962 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,4063 A

Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.

R1​ = 20 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
20·I1 + 2(I1 − I2) = 12
22·I1 − 2·I2 = 12

ЗНК для контура 2

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 2(I2 − I1) = (−10)
−2·I1 + 6·I2 = −10

Решите

Δ = (22)(6) − (−2)(−2) = 128
I1 = Δ1/Δ = 52/128 = 0,4063 A
I2 = Δ2/Δ = −196/128 = −1,531 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,4063 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 1,63 A

Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.

R1​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR4​30 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 30(I1 − I2) = 30
35·I1 − 30·I2 = 30

ЗНК для контура 2

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 30(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 46·I2 − 12·I3 = 0

ЗНК для контура 3

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
5·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 17·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7030
I1 = Δ1/Δ = 10500/7030 = 1,494 A
I2 = Δ2/Δ = 5220/7030 = 0,7425 A
I3 = Δ3/Δ = −6240/7030 = −0,8876 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 1,63 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = 24,23 V

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBОБРЫВ

Случай 1 · действует только V1

Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.

R3+R4 = 4+20 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·24/(20+24) = 10,91 Ω
VA = 30·10,91/(8+10,91) = 17,31 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 17,31·20/24 = 14,42 V
VR4′ = VB − 0 = 14,42 − 0 = 14,42 V
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​20 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.

R1 ∥ R2 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9,714 = 6,538 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,538 = 9,808 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,808·5,714/9,714 = 5,769 V
VR4″ = VB − 0 = 9,808 − 0 = 9,808 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 14,42 + 9,808 = 24,23 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

8.Метод наложения

Ответ: VR3 = 8,077 V

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩAОБРЫВBКЗ

Случай 1 · действует только V1

V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 10 ∥ 12 = 5,455 Ω
VA = 30·5,455/(30+5,455) = 4,615 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,615·6/12 = 2,308 V
VR3′ = VA − 0 = 4,615 − 0 = 4,615 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​10 ΩAIs​4 ABКЗ

Случай 2 · действует только Is

Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, поэтому левый путь — R2+7,5 = 13,5 Ω
Req = R4 ∥ 13,5 = 4,154 Ω
VB = Is·Req = 4·4,154 = 16,62 V
VA = VB·7,5/13,5 = 9,231 V
VR3″ = VA − 0 = 9,231 − 0 = 9,231 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​10 ΩAОБРЫВB−+V2​15 V

Случай 3 · действует только V2

V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.

R1 ∥ R3 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·13,5/19,5 = −10,38 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −10,38·7,5/13,5 = −5,769 V
VR3‴ = VA − 0 = −5,769 − 0 = −5,769 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 4,615 + 9,231 + (−5,769) = 8,077 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 6,667 V

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​4 ΩAabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 2 = 3,333 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·4/(2+4) = 6,667 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,01596 A

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​10 ΩAОБРЫВBabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 10 + (−1,5)·3,333 = 5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5 + (−1,5)·3 = 0,5 V
Rth​ = 6,333 Ω+−Vth​0,5 VRL​25 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 0,5/(6,333 + 25) = 0,01596 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = 1,154 V

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Напряжение на входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,4·22/(4,7 + 22) = 1,154 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = 1,154 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: t = 572 ms

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 22 kΩ · 1 µF = 22 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −0,5/22 = −0,02273 V/ms

Время до насыщения

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·22/0,5 = 572 ms

Ответ

t = 572 ms
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 8,714 mJ

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Постоянная времени и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0,3191 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,3191·(1 − e−10/4,681) = 0,2815 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·220·0,2815² = 8,714 mJ

Ответ

W = 8,714 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 10,01 kΩ

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Требуемая постоянная времени

7,58 = 12·(1 − e−10/τ) → τ = 10/ln(12/(12 − 7,58))
τ = 10/0,9988 = 10,01 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 10,01/1 = 10,01 kΩ

Ответ

R = 10,01 kΩ

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-1